Autor: Uli Merkle
Trotz vieler Optimierungen und Weiterentwicklungen in den letzten Jahrzehnten hat sich ein Prinzip der Vakuumerzeugung in bestimmten Anwendungen bis heute gehalten und wird noch immer erfolgreich eingesetzt: die Flüssigkeitsring-Vakuumpumpe.
Das Prinzip der Flüssigkeitsring-Vakuumpumpe wurde bereits 1890 als „Wasserringpumpe“ entwickelt. Flüssigkeitsring-Vakuumpumpen (Abb. 1) eignen sich durch ihre einfache und robuste Konstruktion zur Vakuumerzeugung bei Anwendungen, in denen feuchte Gase oder Dämpfe abgesaugt werden oder solche, die während des Verdichtungsvorgangs innerhalb der Vakuumpumpe zur Kondensation neigen. Sie sind deshalb für feuchte Prozesse bestens geeignet und kommen im Bereich der Grobvakuumerzeugung in
- Verfahrenstechnik,
- Chemie,
- Erdölgewinnung und -verarbeitung,
- der Entlüftung von Dampfturbinenkondensatoren,
- der Kunststoffindustrie,
- der Papierherstellung,
- Lebensmitteltechnik und
- vielen anderen industriellen Anwendungen
zum Einsatz.
Flüssigkeitsring-Vakuumpumpen nutzen als Betriebsmittel Wasser oder eine mit dem abzusaugenden Gas oder Dampf kompatible Flüssigkeit. Ethylenglykol, Mineralöle oder organische Lösemittel werden ebenso eingesetzt, wie bereits andere im Prozess Verwendung findende Flüssigkeiten. Das Grundprinzip ist bei allen Baugrößen und -versionen dasselbe:
Ein exzentrisch angebrachtes Flügelrad dreht sich in einem zylinderförmigen Gehäuse (Abb. 2). Das Gehäuse ist so weit mit Betriebsflüssigkeit gefüllt, dass die Flügel des Laufrads darin eintauchen. Durch die Drehbewegung des Flügelrads und die dadurch entstehende Fliehkraft bildet die Flüssigkeit im Gehäuse den sogenannten Flüssigkeitsring. In den Räumen zwischen den einzelnen Flügeln und dem Flüssigkeitsring wird das Gas gefördert. Durch die exzentrische Anordnung des Flügelrads verändern die Zwischenräume ihr Volumen, sodass Gas angesaugt, verdichtet und wieder ausgestoßen wird. Der Flüssigkeitsring dichtet die einzelnen Zwischenräume zum Zylinder hinab. Man spricht deshalb auch anstelle von Betriebsflüssigkeit von der Sperrflüssigkeit.
Dieses Wirkungsprinzip ermöglicht, bedingt durch die verwendete Betriebsflüssigkeit, nur den Einsatz im Grobvakuumbereich. Der Grund dafür ist die Abhängigkeit des erreichbaren Vakuumniveaus vom Dampfdruck der Betriebsflüssigkeit, die kontinuierlich durch die Vakuumpumpe gefördert wird. Dadurch kann eine Flüssigkeitsring-Vakuumpumpe bei verhältnismäßig niederen Temperaturen betrieben werden. Außerdem arbeitet sie weitestgehend isotherm. Das heißt das zu fördernde Medium erwärmt sich während des Verdichtungsvorganges kaum. Deshalb sind Flüssigkeitsring-Vakuumpumpen geradezu prädestiniert, Dämpfe und Gase mit hohem Feuchtigkeitsanteil zu fördern. Die niedrigen Temperaturen in der Vakuumpumpe begünstigen die Kondensation von Dämpfen. Das heißt, die Vakuumpumpe arbeitet gewissermaßen zusätzlich auch als Kondensator. Da die Kondensation bereits beim Eintreten des Dampfes in die Vakuumpumpe stattfindet, verringert sich das Volumen des Mediums drastisch. Somit erreicht man neben dem Kondensationseffekt auch eine Erhöhung des nominalen Saugvermögens. Beim Ansaugen von heißen Gasen, erhöht sich das nominale Saugvermögen durch die Abkühlung des Gases in der Pumpe durch dessen Volumenreduktion.
Ein Vorteil von Flüssigkeitsring-Vakuumpumpen besteht darin, dass die Betriebsflüssigkeit und die für die Bauteile verwendeten Materialien auf das Fördermedium abgestimmt werden können. Dadurch ist auch das Fördern von korrosiven und explosionsgefährdeten Gasen und Dämpfen möglich. Durch die niedrigen Betriebstemperaturen ist das Fördern von explosionsgefährdeten Stoffen ohnehin wesentlich unkritischer zu beurteilen, als bei anderen mechanischen Vakuumpumpen.
Verschieden Bauformen
Bei der einstufigen Ausführung wird der oben beschriebene Verdichtungsvorgang in einer Verdichtungsstufe durchgeführt. Bei der zweistufigen Vakuumpumpe (Abb. 3) wird das aus der ersten Stufe vorverdichtete Fördermedium einer zweiten Verdichtungsstufe zugeführt und ein weiteres Mal verdichtet.
- Einstufig sind Enddrücke von 130 hPa (mbar) realisierbar.
- Zweistufig erreicht eine Flüssigkeitsring-Vakuumpumpe bis zu 33 hPa (mbar).
Die Firma Busch bietet Flüssigkeitsring-Vakuumpumpen mit Saugvermögen von 25 bis 26.500 m³/h an.
Die Zu- und Abfuhr der Betriebsflüssigkeit kann auf drei Arten erfolgen:
- Der Durchlaufbetrieb ist die einfachste Variante zum Betrieb einer Flüssigkeitsring-Vakuumpumpe und wird immer dann verwendet, wenn genügend Betriebsflüssigkeit zur Verfügung steht. Es erfolgt eine permanente Zufuhr der Betriebsflüssigkeit in die Verdichtungsstufe. Die Flüssigkeit wird dann, zusammen mit dem Gas und dem Kondensat ausgestoßen.
- Im offenen Flüssigkeitskreislauf (Abb. 4) wird die Betriebsflüssigkeit zusammen mit dem Gas nach dem Austritt aus der Vakuumpumpe in einen Flüssigkeitsabscheider geleitet. Das Gas tritt aus oder wird weitergeleitet, während die Betriebsflüssigkeit im Kreislauf wieder zur Pumpe gefördert wird. Zusätzlich wird permanent frische Betriebsflüssigkeit über den Flüssigkeitsabscheider zugeführt. Mit einem solchen offenen Kreislauf können, im Vergleich zum Durchlaufbetrieb, bis zu 50 Prozent Flüssigkeit eingespart werden.
- Im geschlossenen Flüssigkeitskreislauf (Abb. 2) ist ebenfalls ein Flüssigkeitsabscheider der Pumpe nachgeschaltet, jedoch wird die Betriebsflüssigkeit in einem Wärmetauscher gekühlt, bevor sie wieder in die Vakuumpumpe eintritt. Nur geringe Mengen von frischer Flüssigkeit müssen über den Flüssigkeitsabscheider zugeführt werden.
Flüssigkeitsring-Vakuumpumpen lassen sich als Module in Vakuumanlagen einsetzen. In der Kombination mit Gas-, Luft- oder Dampfstrahlern oder Roots Vakuum-Boostern sind niedrigere Enddrücke zu realisieren. Die einzelnen Baugrößen von Dolphin Flüssigkeitsring-Vakuumpumpen von Busch sind in verschiedenen Atex-zertifizierten Ausführungen verfügbar.
